編委特刊|鄭興燦總工團隊：T/CUWA70052—2023《城鎮污水資源與能源回收利用技術規程》編制思路與要點解讀 發布者： 環境工程

鄭興燦 夏瓊瓊 尚巍 孫永利 李鵬峰

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074)

城鎮污水資源化利用是我國經濟社會可持續發展的重要戰略需求，國家發展和改革委員會等十部委共同發布的《關于推進污水資源化利用的指導意見》（發改環資〔2021〕13號）中，要求全面推動我國污水資源化利用，實現高質量發展；國家發展和改革委員會、住房和城鄉建設部聯合發布的《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》（發改環資〔2021〕827號）中，要求提升污水污泥資源化水平，推進資源化利用。基于綠色可持續發展的理念，通過水量回收、水質完全或部分復原，達到特定用水途徑的功能要求，實現多層次多等級不同路徑的再生水利用，尤其城市景觀和自然水體補水；通過污水化學能（有機物沼氣化）和污水源熱能利用，回收熱能電能，用于供熱和供冷服務；通過直接回收利用有價值的有機物，轉化為可降解塑料等產品，或作為污水氮磷去除的補充碳源；通過氮磷營養物及礦物質回收利用，例如，磷酸鹽回收、硫回收和蛋白質回收；推行高效低碳深度除磷脫氮及新污染物強化去除，都是城鎮污水處理廠面向未來的重要發展方向，也是推動城鎮污水處理系統全過程碳減排、碳中和的關鍵路徑。

我國城鎮污水的收集處理規模達到800億m3左右，可回收利用的潛在資源與能源無疑是巨量的。但與歐美先進國家相比，我國城鎮污水處理廠污泥磷回收、蛋白質回收的工程案例較少，水源熱泵等熱能利用的規模還不夠大，污泥厭氧消化等化學能利用的比例較低，污水處理廠能源自給率和資源回收類型明顯偏低偏少。這除了與起步晚、水質泥質較為獨特等因素有關外，還與標準體系的不完善密切關聯。近年來，有關城鎮污水再生利用的水質、工程和產品標準逐步完善，但物質資源與能源回收利用的標準還明顯欠缺，磷酸鹽、蛋白質等回收標準處于空白狀態。為此，中國城鎮供水排水協會組織中國市政工程華北設計研究總院有限公司等單位編制了T/CUWA 70052—2023《城鎮污水資源與能源回收利用技術規程》（以下簡稱T/CUWA 70052），旨在規范我國城鎮污水資源與能源回收利用的技術要求，促進行業綠色低碳、資源循環、能源利用水平的提高，同時做到安全適用、資源節約、環境友好、技術可行、經濟合理。

城鎮污水處理廠是潛在的資源、能源、水工廠，如何最大程度地全面實現資源能源回收、水循環利用和環境友好，已經成為城鎮污水處理的主導發展方向。為提高我國城鎮污水資源化能源利用的技術水平，系統推進城鎮污水資源化能源化利用工作，中國城鎮供水排水協會組織編制并于2023年7月發布了T/CUWA 70052—2023《城鎮污水資源與能源回收利用技術規程》。該規程首次提出了我國城鎮污水資源能源回收的技術路線、工藝參數和運行管理要點，可為處理技術或工藝選擇、工程設計、運行優化等提供指導。該規程的實施，對于城鎮污水處理系統轉變為資源、能源與水工廠，促進我國城鎮污水處理的綠色低碳高質量發展具有積極意義。

在T/CUWA 70052的起草與編制過程中，編制組廣泛查閱和借鑒了國內外的相關政策、技術標準、實踐經驗和前沿研究成果，例如，美國水環境研究基金會（WERF）及加利福尼亞州Sonoma Water推行的“無碳供水Carbon-free Water”計劃，荷蘭2030年污水處理發展路線圖中的“NEWs”（Nutrient營養物+Energy能源+Water factories水工廠）理念，中國城市污水處理概念廠專家委員會提出的“水質永續、能量自給、資源循環、環境友好”，以及與這些計劃或理念落地實踐相關的案例。在此基礎上，密切結合國家水體污染控制與治理科技重大專項的相關項目（課題）研究成果及示范工程運行，統籌考慮城鎮污水資源與能源的回收利用，提出了相應的資源與能源回收工藝技術路線、工藝參數及運行管理技術要點。

T/CUWA 70052的編制范圍覆蓋城鎮污水處理廠完整的水線和泥線，將污水、污泥的處理工藝單元與資源、能源的回收利用進行系統性的融合與銜接，并為后續的補充完善預留發展空間。針對資源與能源回收利用項目的實施全過程，著重考慮如何遵循安全適用、資源節約、環境友好、技術可行、經濟合理的整體原則，提出包括源頭管控、規劃設計、運行管理等方面的具體要求及技術參數。T/CUWA 70052規定的資源回收利用包括碳源、磷酸鹽、蛋白質、污泥處理產物的回收利用，能源回收利用包括熱能、化學能、勢能的回收利用。考慮污水再生利用已有相關的標準規范，本規程的資源回收中不涉及水資源的內容。

T/CUWA 70052的最基本考慮為，城鎮污水資源與能源的回收利用應結合經濟社會發展水平、污水和再生水專項規劃、資源能源需求方向與產品出路等，統籌規劃，合理布局；已建污水處理廠宜根據已有污水、污泥處理工藝，制定資源與能源回收技術方案；新建工程應統籌污水處理工藝、污泥處理處置方式、資源與能源回收利用等多目標，確定工藝技術路線、建設方案和建設時序；應加強源頭管控，不得將含有毒、有害物質的工業廢水排入城鎮污水管網；工藝設備應穩定可靠、運行安全，回收過程產生的副產物應根據性質集中或就地處理，回收產物應安全使用；宜采用經應用驗證的新技術、新工藝、新材料和新設備。

城鎮污水處理系統可通過碳源（有機物）的回收，為生物除磷脫氮工藝系統補充反硝化所需的碳源，如圖1所示，碳源回收利用的技術措施主要包括：

1）強化預處理，提高惰性（無機）組分的去除能力和碳源有機物的保留能力。

2）強化生物除磷脫氮工藝系統，優化功能區的構成與配置，提高碳源利用效率。

3）通過初沉污泥或剩余污泥水解發酵提取碳源，例如利用初沉發酵池保留進水碳源。

前2種回收方式屬于“節流”措施，第3種回收方式屬于“開源”措施。

圖1 城鎮污水處理系統的碳源回收利用技術路線示例

對于預處理單元的曝氣沉砂池，主要通過控制水力停留時間來強化（惰性）無機固體與可生物降解有機物的有效分離，去除沙礫，保留碳源有機物。GB 50014—2021《室外排水設計標準》中規定的曝氣沉砂池停留時間大于5 min為宜，依據相關研究與工程測試結果，T/CUWA 70052規定曝氣沉砂池停留時間≥9 min，延長水力停留時間有利于提高不同曝氣量下的泥砂去除效果及工藝運行效率。

對于預處理單元的初沉池，在強化細微泥砂顆粒去除的同時，還需要盡量減少碳源有機物的損失。為此，T/CUWA 70052規定，實際進水SS較低（<150 mg/L）或初沉池出水BOD5（COD）出現較大幅度降低時，可部分或全部超越初沉池，同時還列出了排泥注意事項、監測指標以及運行調整方法。另外，以生活污水為主的污水處理廠，初沉池設計水力停留時間不宜>1.5 h，必要時可以縮短到30 min以下。

對于核心工藝單元的生物池，應盡量優化碳源的配置與利用，提高碳源用于反硝化的比率。可行的主要方法包括：1）設置預缺氧池，采用多點分配進水，平衡生物脫氮和生物除磷對碳源的利用；2）提高缺氧區水力停留時間，強化進水中慢速碳源的利用效率，并在缺氧區設置反硝化除磷區，通過“一碳兩用”減少碳源用量；3）在好氧區設置消氧區，減少好氧過程的碳源損耗。為此，T/CUWA 70052中規定，預缺氧區的設計水力停留時間宜為0.5~1.5 h，進水比例宜為0%~30%；缺氧區的設計水力停留時間宜>4 h；消氧區的設計水力停留時間宜為0.5~1.0 h。

碳源直接回收的方式包括初沉污泥單獨發酵、剩余污泥水解發酵、初沉發酵池在線發酵。初沉污泥水解池的固體停留時間宜為3~6 d，剩余污泥水解反應池的進泥量宜為回流污泥量的5%~10%，水解時間不宜<20 h，污泥水解池的氧化還原電位（ORP）不宜>-250 mV，攪拌功率宜為（1~3）W/m3。初沉發酵池通過較長污泥固體停留時間、機械推流和較高的泥位控制，強化水力剪切與固體顆粒分離作用，將懸浮顆粒外層包裹的有機物剝離的同時進行初步水解，能有效改善出水的碳源結構。初沉發酵池固體停留時間宜為1~5 d，水力停留時間宜為0.5~1.0 h，泥位宜按有效水深的60%~80%設計，攪拌功率宜<0.5 W/m3。

編制團隊研究發現污水處理廠提升泵出水堰、沉砂池出水渠、初沉池出水堰等跌水區域存在明顯的復氧現象，跌水前后有2~3 mg/L甚至更高的DO增量，并在后續的管道、管渠或構筑物內快速消耗相應當量的優質進水碳源，導致預處理單元10~20 mg/L的進水碳源損耗。通過封閉渠道等工程措施，可將每次跌水的DO增量降低至1 mg/L左右，采用淹沒出流則可以避免DO的增加。生物處理預缺氧區進水和污泥回流點、厭氧區進水、缺氧區碳源投加點等宜采用淹沒出流方式，避免跌水復氧，減少碳源的損耗。

圖2為城鎮污水處理系統磷酸鹽回收的技術路線示例。磷酸鹽可在城鎮污水處理系統的水線通過側流方式回收，也可利用污泥厭氧消化液和污泥焚燒灰渣進行回收，側流磷酸鹽回收包括從生物單元厭氧池上清液以及回流污泥旁路中回收。圖3為城鎮污水側流磷回收的工藝流程示例。從厭氧池富含磷酸鹽的上清液中進行磷回收，工藝流程先通過物理沉淀進行泥水分離，上清液進入磷回收反應器，經過化學沉淀或結晶反應，生成磷酸鹽產品，可用作化肥原材料或其他用途。如果是在回流污泥線路上進行旁路磷回收，在泥水分離前，需要先經過磷酸鹽釋放的工藝過程。

圖2 城鎮污水處理系統磷回收技術路線示例

圖3 城鎮污水側流磷回收工藝流程示例

為確保回收磷產品的純度，分離池上清液應SS<100 mg/L。泥水分離池沉淀的污泥宜優先回流到生物系統缺氧區，促進反硝化除磷。這是因為厭氧生物釋磷后的污泥微生物細胞內富含PHA（聚羥基烷酸），是優質碳源，回流至缺氧區可為反硝化聚磷菌提供代謝能量，促進以硝酸鹽為電子受體的超量吸磷和反硝化脫氮，實現“一碳兩用”。如果回流到好氧區，容易造成碳源浪費。

對于釋磷部分，回流污泥釋磷池和生物池厭氧區ORP值宜<-250 mV；釋磷池設計水力停留時間宜≥1.0 h；可在進水中投加醋酸鹽類的外碳源或系統回收的碳源，增強生物池厭氧區的生物釋磷能力。另外，化學磷沉淀中的磷較難釋放，應降低污水處理過程中生物段化學除磷及污泥脫水無機藥劑的使用量，確保厭氧區生物釋磷效果，提高磷回收效能。

磷回收反應器內可投加鎂鹽或鈣鹽回收磷；回收完的上清液剩余有機物仍可作為反硝化碳源繼續利用，因此磷回收后的上清液主要去向缺氧池；過量磷回收可能導致生物脫氮除磷系統中磷的失衡，影響活性污泥功能菌群的正常生長代謝。通常厭氧區側流流量不宜超過進水量的30%，回流污泥側流污泥量不宜超過回流污泥總量的30%。

對于厭氧消化液和焚燒灰渣的磷回收，T/CUWA 70052也列出了相應的技術要點，包括消化液磷酸鹽回收的附屬設施、設備材料、投加藥劑等，針對焚燒灰渣磷回收，提出了回收系統的組成、采用的提取藥劑、純化和制備方法等。另外，針對磷回收中常用的鳥糞石和羥基磷灰石2種結晶反應器，列出了主要的參數和運行管理要點，鳥糞石法反應器的進水正磷酸鹽磷濃度宜>50 mg/L，鎂鹽投加量宜按1:1:1的比例，滿足Mg2+、NH4+和PO43-三者的化學計量關系。

污泥蛋白質回收工藝流程如圖4所示。可知：蛋白質回收部分，主要利用剩余污泥進行回收。回收系統包括污泥堿熱水解、固液分離、純化分離等單元。回收的蛋白質可作為發泡劑等工業類蛋白產品，中間過程產生的殘渣經穩定化處理，也可以再次利用。T/CUWA 70052列出了這些工藝單元的技術參數和運行管理要點。

圖4 污泥蛋白質回收工藝流程示例

污泥水解單元的主要作用是將污泥中的蛋白質轉移至液相，水解過程可采用物理（熱解、超聲等）、化學（酸法、堿法、臭氧等）、生物方法或多種模式聯用，聯用效果通常較優，堿熱水解法工藝過程簡單，適宜工程應用。目前堿熱法水解已實現初步產業化，形成了較為完整的工業生產線。例如，天津濱海新區建成150 t/d規模污泥處理處置設施，1個間歇處理過程可獲得水解蛋白液9 t，殘渣（含水率40%）約2.5 t。

純化分離可采用混合液的濃縮和沉淀，濃縮主要有蒸發濃縮法、泡沫法和膜法，沉淀法主要為鹽析沉淀法、等電點沉淀法。編制團隊的試驗研究表明，等電點沉淀法是1種從市政污泥水解液中回收蛋白質的有效方法，當pH為3.5，沉淀溫度為5 ℃，提取液蛋白質濃度為6000 mg/L時，蛋白質回收率達87%，所得蛋白質產品殘留重金屬的風險低。

資源回收利用的另外一個重要組成部分是污泥處理產物利用，主要包括土地利用和建材利用，污泥經厭氧消化、好氧發酵、碳化等穩定化、減量化、無害化處理后可土地利用；條件允許時污泥可以直接建材利用，或選擇碳化、濕式氧化、焚燒方式處理后進行建材利用。

城鎮污水處理廠污泥處理產物利用的技術路線參見圖5。

圖5 污泥處理產物利用技術路線示例

對于污泥碳化產物，高溫、中溫、低溫碳化工藝的產物有不同的利用途徑，低溫碳化后的產物通常可作為生物質燃料利用，中溫碳化后的產物可作為生物質燃料或土地利用，高溫碳化后的產物可作為土地利用或建材利用。濕式氧化和焚燒處理的產物主要用于建材。T/CUWA 70052對碳化、濕式氧化和焚燒處理的工藝構成及設計運行參數進行了規定。

污泥處理產物土地利用的主要方式包括土壤改良、園林綠化、垃圾填埋場封場用土等，建材利用方式主要包括制磚、制陶粒和水泥熟料。進行回收利用時，污泥處理產物的穩定性指標應滿足現行國家及地方標準，利用前應進行環境安全性的風險評估。

城鎮污水的能源回收利用包括污水、污泥中的熱能、化學能、勢能的回收利用。考慮實際工程中較容易實施且技術較成熟的途徑，T/CUWA 70052對水源熱泵熱能回收、污泥化學能回收、污泥處理過程余熱回收進行了具體規定，勢能利用部分沒有涉及具體技術要點。

化學能回收主要通過污泥厭氧消化、焚燒、碳化、濕式氧化等工藝過程；厭氧消化產生的沼氣，可進行廠內和廠外利用。污泥焚燒、碳化和濕式氧化主要利用污泥化學能維持反應過程自身所需熱量。污水熱能回收主要通過水源熱泵，提取污水或處理出水中的熱能，用于廠內工藝單元加熱和綜合辦公，或者供周邊區域進行商業利用。余熱利用的環節包括污泥厭氧消化熱電聯產、熱水解、干化、焚燒、濕式氧化等工藝過程，回收的余熱主要在廠內利用，用于生產工藝單元池體保溫、物料加熱和生產熱水等。

城鎮污水的能源回收技術路線參見圖6。

圖6 城鎮污水能源回收技術路線示例

供水與用水過程中存在自然與人為的熱能輸入過程，使城鎮污水蘊藏豐富的低位熱能，冬季水溫10~20℃左右，明顯高于氣溫，夏季一般為20~25℃，明顯低于氣溫，與水源熱泵機組的匹配性好，系統制熱系數（COP）可以達到4~5，在國內城鎮污水處理廠已大量工程應用，從廠內供熱供暖擴展到周圍居民及商業供熱服務，夏季還可以用來供冷。

城鎮污水熱能的回收利用，主要針對污水處理廠出水（再生水）和管網污水中的熱能，T/CUWA 70052推薦采用出水（再生水）作為水源熱泵的取水水源，并結合水質水量水溫、氣候條件、服務范圍內建筑物熱能負荷等因素，進行能量衡算及技術經濟分析。

城鎮污水處理廠內回收的熱能應優先擴展廠內利用，同時開拓廠外利用，管網污水熱能宜就近回收就近利用。廠內熱能利用時，形成的溫差不能影響再生處理工藝的運行效能；設計過程中需要充分調研擬利用水源的水溫、水量數據，進行系統方案編制與參數確定。對于運行管理，T/CUWA 70052列出了水質監測、運行臺數調整、設備維護等方面的要求。

污泥化學能回收主要通過厭氧消化、污泥焚燒、碳化、濕式氧化等過程實現。污泥有機質含量是污泥化學能產量的關鍵影響因素，結合我國污泥有機質含量偏低的實際情況，應從污水管網和污水處理2個方面開展工作，以強化污水中無機組分的去除或降低；在污水管網方面，應做好污水系統提質增效和泥砂的源頭控制；在污水處理方面，應強化污水預處理，可采取的技術措施包括優化沉砂池的設計運行、設置初沉池或初沉發酵池等。

針對厭氧消化產能過程，T/CUWA 70052列出了基本的工藝參數和運行管理規定，工藝方面包括預處理方式和要求、熱水解參數、溫度、含固率、停留時間、容積負荷、pH、消化液處理等，運行管理主要是針對可能出現的異常情況，例如進泥重金屬含量較高或出現有機酸過量累積時，應采取的對策措施。除了厭氧消化工藝本身，T/CUWA 70052還對沼氣脫硫凈化和提純、厭氧消化產能利用方式（廠內及廠外供電、鍋爐供熱、機械驅動）、熱電聯產等方面做了具體規定及參數建議。

在污泥厭氧消化池的運行溫度方面，高含固的中溫厭氧消化溫度可提升至38 ℃以上。天津津南污泥處理廠高含固中溫厭氧消化示范工程的運行溫度為40 ℃。編制團隊針對該工程開展的生產性運行研究表明，進泥含固率為8%~9%，有機質含量為50%~60%時，厭氧消化溫度從37 ℃升高到40 ℃，產氣量約增加16%，且系統的運行穩定性較好。

在污泥焚燒與熱能利用方面，T/CUWA 70052列出了基本的工藝設計運行參數，污泥焚燒的預處理宜減少熱干化等熱法的使用，避免消耗過多熱能，推薦采用機械脫水的預處理方式。另外，應通過物料、能量平衡計算，確定最佳入爐污泥含水率，提高系統能量利用效率。焚燒過程產生的爐渣和飛灰可進一步回收磷資源。

余熱利用是對不同污泥處理單元排放的熱能加以利用的過程。污泥處理過程的多個環節都會產生余熱，例如，熱水解過程的閃蒸氣所含熱量，熱水解后的污泥進入厭氧消化系統之前降溫過程所釋放的熱量，厭氧消化沼氣通過發電機熱電聯產產生的熱量，污泥焚燒及碳化過程的煙氣余熱等。這些余熱的利用途徑主要包括生產環節的保溫與增溫，或者為廠區生產和辦公提供熱水等。

余熱通常宜直接利用，盡量避免或減少換熱環節。我國城鎮污水處理廠污泥熱值較低，污泥熱處理過程中，如何充分利用余熱十分重要，應選擇換熱效率高的換熱形式，具體根據工藝和污泥熱值確定。以污泥焚燒系統為例，如果污泥干基低位熱值相對較高，煙氣余熱宜通過高溫空預器回收，提高1次風入爐溫度；如果污泥干基低位熱值較低，煙氣余熱宜通過余熱鍋爐回收，盡量選擇換熱效率高的余熱鍋爐。

城鎮污水處理廠是潛在的資源能源工廠，如何最大程度地實現能源回收、資源循環和環境友好已成為污水處理的主導發展方向。與國際先進國家相比，我國目前的城鎮污水資源能源回收的實際應用情況仍存在較大差距，在工程實踐中尚缺乏系統化規范化的指導。T/CUWA 70052從資源循環利用和能源回收角度出發，系統規劃了城鎮污水資源和能源回收利用的技術路線，提出了具體的實施路徑和運行管理模式等。該規程為國內首次發布，可指導我國城鎮污水資源化能源化工程建設與運行，有助于全面提升城鎮污水資源能源回收利用的技術水平與工程規模，促進行業的綠色低碳高質量發展。